Neurology advanced mr imaging in epilepsy v lai

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Neurology advanced mr imaging in epilepsy v lai

  1. 1. Advanced  MR  Imaging  in  Epilepsy Dr.  Vincent  Lai   MBChB,  FRCR(UK),  FHKCR,  FHKAM(Radiology)   Consultant  Radiologist,  Hong  Kong  BapBst  Hospital   Honorary  Clinical  Assistant  Professor,  University  of  Hong  Kong
  2. 2. Overview General  imaging  findings  &  concept     Various  funcBonal  imaging  techniques     Our  preliminary  work  
  3. 3. Introduc:on •  Very  heterogeneous  imaging  spectrum     •  IdenBficaBon  of  epileptogenic  lesion  is  crucial   in  achieving  seizure  free  outcome  aPer   surgery  
  4. 4. E:ologies  of  Epilepsy MalformaBon  of  corBcal  development Focal  corBcal  dysplasia   Heterotopia   Polymicrogyria Mesial  temporal  sclerosis Tumor DysembryoplasBc  neuroepithelial  tumor   Ganglioglioma   Astrocytoma   Oligodendroglioma   Cavernoma Vascular  cerebral  insult Chronic  corBcal/subcorBcal  infarct   Arteriovenous  malformaBon   Amyloid  angiopathy Nonvascular  cerebral  insult Post-­‐traumaBc   PostoperaBve   PostencephaliBs   Postanoxia Others Abnormal  venous  drainage   Arachnoid  cyst/  neuroepithelial  cyst   Focal  calcificaBon/  corBcal  atrophy
  5. 5. Goal  of  Epilepsy  Imaging Detec:on  of  epileptogenic  lesion     Localiza:on  of  epileptogenic  lesion     TriangularizaBon  amongst   Seizure  emiology,  EEG  &  Imaging
  6. 6. Current  MR  Imaging  Considera:on High  resoluBon  structural  imaging   3D  MPRAGE/SPGR  T1W,  Oblique  Coronal/3D  T2W  &  FLAIR  T2W   SuscepBbility  weighted  imaging   FuncBonal  imaging   Radionuclide,  T2  relaxometry,  MRS,  Diffusion,  ASL,  MR  volumetry  
  7. 7. Are  we  doing  well?   ProblemaBc  issue  in  MR-­‐negaBve  paBents   Does  this  really  exist?
  8. 8. Where  are  we  upto  ? •  2/3  of  MR  negaBve  paBents  have  idenBfiable   lesion  (oOen  subtle  MCD)  on  3.0  T   –  Temporal  50%   –  Frontal  40%   –  Majority  is  FCD   Knake  S  et  al.  2005  Neurology   •  65%  of  drug  resistant  epilepsy  has  idenBfiable   lesion       –  Frequently  MTS Vezina  LG  2011  Epilepsia  
  9. 9. M/  22  yrs  old LeO  hippocampal  FCD
  10. 10. Taylor’s  FCD  with  balloon  cells,  radial  band Colombo  N  et  al.  2003  AJNR
  11. 11. F/4.5  yrs  old Right  insular  FCD
  12. 12. Malforma:on  of  Cor:cal  Development
  13. 13. Polymicrogyria Agyria Grant PE et al. 1997 AJNR
  14. 14. TPO  Syndrome/  Posterior  Quadran:c  Cor:cal  Dysplasia
  15. 15. Low  Grade  Astrocytoma
  16. 16. MTS
  17. 17. Parahippocampus Forms  mesial  &  inferior  gyrus   of  temporal  lobe     Includes:   Entorhinal  &  perirhinal  corBces   Parahippocampal  cortex     Contributes  to:   Seizure  iniBaBon   epileptogenesis  
  18. 18. Parahippocampal  epilepsy A  subset  of  MTLE   A  cause  of  MR-­‐negaBve   MTLE     T2W  hyperintense  signal   in  parahippocmapal   WM   Blurring  of  GW  juncBon   Normal  corBcal  thickness Pillay  N  er  al.  2009  Epilepsia
  19. 19. Challenging  Issue GeneBc Disrup:on  of   normal  cor:cal   development Early   environmental   factors Microdysgenesis  of  neocortex  or  subtle  MCD   Majority  of  MR-­‐nega:ve  PET-­‐posi:ve  cases Mild MCD (I & II) in 12-40%: Carne RP et al. 2004 Brain; Huba R et al. 2012 Epliepsy & Behavior
  20. 20. So,  how  can  we  do  it?
  21. 21. Radionuclide  Imaging PET  vs  SPECT   Noninvasive   Presurgical  mapping   Uses:     •  MR-­‐negaBve   •  Several  lesions   •  Discordant  findings   between  EEG  &   structural  imaging
  22. 22. Advanced  MR  Imaging  Techniques T2  Relaoxmetry   MR  Volumetry   MR  Spectroscopy   Diffusion  Tensor  Imaging   Arterial  Spin  labeling
  23. 23. T2  Relaxometry T2  relaxaBon  Bme  ↑  in  the  epilepBc  focus   Woermann  et  al.  1998;  Namer  et  al.  1998;  Van  Paesschen  et  al.  1995;  Jackson  et  al.  1993)     SuggesBon  of  superior  detecBon  rate  as   compared  with  volumetry   Bernasconi  A  et  al.  2000  Neuroimage     But  not  confirmed  in  later  and  recent  study  with   more  advanced  MR  volumetry:   –  Improved  detec_on  rate  in  19%  of  pa_ents  only   Coan  AC  et  al.  2013;  AJNR
  24. 24. T2  Relaxometry False  +ve  in  upto  50%  of  visually  detected  T2   signal  changes  in  hippocampus   Voxel  based  quan:ta:ve  analysis  is  more   reliable   Sumar I et al. 2011; Epilepsy research
  25. 25. MR  Volumetry i.        Segmenta_ons  by  VBM   ii.  Orienta_on-­‐corrected,  spaBally  normalized,  Bssue  classified   iii. Par__on  the  whole-­‐brain  to  GM,  WM  and   iv.     FIRST:  fieng  a  mesh  to  the  surface  of  the  amygdala  &                        hippocampus  
  26. 26. Manual  vs  automated  segmenta:on In  a  study  of  46  paBent   Manual  method  vs  various  automated  methods   LocalInfo  >  HAMMER  >  FreeSurfer     LateralizaBon  accuracy:   Manual  (78%)   Automated  (74%)   Akhondi-Asl A et al. 2011 Neuroimage
  27. 27. Quan:ta:ve  MR  volumetry  in   hippocampal  atrophy Automated  MR  volumetry   Hippocampal  asymmetry  (pa_ents  &  normal)   High  discriminaBng  power   Sensi_vity  89.5%;  Specificity  94.1%   LateralizaBon  accuracy:  88%  (visual  inspec_on:  76-­‐85%) Farid N et al. 2012 Radiology
  28. 28. ?  Performance  in  3T In  a  study  of  203  paBents  with     hippocampal  sclerosis…     Help  ↑  detec:on  rate  in  28%  of   pa:ents  with  hippocampal   sclerosis Coan AC et al. 2013 AJNR
  29. 29. Pialls   reflects  a  combinaBon  of       cor:cal  thickness     &     surface  area  measurements
  30. 30. Morphological  analysis Average  convexity  (Fischl  et  al.  1999)   Sharpness/  Curvedness/  Folding  index  (Pienaar  et  al.  2008)   GyrificaBon  index  (Schaer  et  al.  2008)   Sulcal  paiern  (Kim  et  al.  2008)   Shape  parameter  -­‐  Jacobian  matrix  (Ronan  et  al.  2011)   Surface  area/geometric  distorBon  (Alhusaini  et  al.  2012)   Reflects changes in underlying connectivity and white matter tracts
  31. 31. So,  they  advocate… Surface-­‐based  MRI  morphometry    post-­‐processing    surface  reconstruc_on    morphometric  measures    lesion  tracing     Sn  92%,  Sp  96% Thesen T et al. 2011 Open Access
  32. 32. MR  Spectroscopy
  33. 33. MRS  –  General  Principles Molecules/   Metabolites Func:on/  Clinical  relevance NAA Marker  of  neuronal  density  &  viability   Cr Marker  for  energy–dependent  system Cho Marker  of  increased  inflammatory/glioBc  process  &   pathological  changes  in  membrane  turnover Lactate Elevated  aPer  seizure  &  in  hypoxia/ischemic  injury   Mitochondral  disorder Glutamate Major  excitatory  neurotransmiier,  toxic  if  elevated   leading  to  neuronal  death ml Marker  of  gliosis
  34. 34. Short  TE     (35  ms) Long  TE     (144  ms) Very  Long  TE     (288  ms) Typical  Spectra
  35. 35. Single  vs  Mul:-­‐voxel  Spectroscopy Single-­‐voxel   Higher  SNR   Short  acquisiBon  Bme  (~3  mins)     Metabolic  disease   1.  1  voxel  at  BG   2.  3  voxels  at  CS,  LN,  OP  cortex     Temporal  lobe  epilepsy   2  voxels  at  bilateral  hippocampi   Mul:-­‐voxel   Larger  volume  of  informaBon   Long  acquisiBon  Bme  (~8  mins)   Allow  3D  acquisiBon    
  36. 36. Technical  Considera:ons •  Higher  magneBc  field  strength  (higher  SNR)   •  MulBchannel  (32-­‐channel)  receiver  coils  (higher  SNR)   Keil  B  et  al.  2012  Magn  Reson  Med     •  Shimming  (maximise  B0  homogeneity)   Kanayanma  S  et  al.  1996  Magn  Reson  Med;  Hetherington  HP  et  al.  2006  Magn  Reson  Med     •  Fast  spiral  acquisiBon  (allow  fast  spa_al  encoding)   Andronesi  OC  et  al.  2012  Radiology     •  AdiabaBc  pulses  (compensate  for  radiofrequency  inhomgeneity)   Garwood  M  et  al.  1989  Magn  Reson  Med;  Andronesi  OC  et  al.  2010  J  Magn  Reson  
  37. 37. Role  of  MRS Screening  of  metabolic  derangement     Adjuvant  in  evaluaBon  of  medically  refractory  TLE       CharacterizaBon  of  lesions/  masses     ?Localizing  techniques  in  extratemporal  epilepsy
  38. 38. MRS Screening  of  metabolic  derangement   Mitochondrial  disorders   ↓  Cho  in  normal  appearing        cerebellar  WM  (80%)      peritrigonal  WM  (67%)      corBcal  GM  (60%)   ↓  NAA/Cr  in  normal  appearing      cerebellum  (93%)      cortex  (87%)   ↑  Amino  acids  &  Lactate   Bianchi C et al. 2003 AJNR
  39. 39. MRS Screening  of  metabolic  derangement   EnzymaBc  disorders   Cr  deficiency   Prevalence:  0.25%   Inherited  enzymaBc  defects:      AGAT      GAMT      SLC6A8       ↓  Cr  in  normal  brain   Arias A et al. 2007 Clin Biochem
  40. 40. MRS Adjuvant  in  evaluaBon  of  medically  refractory  TLE     TLE   ↓  NAA   ↓  NAA/Cr  raBo     86%  agreement    with  EEG   (c.f.  83%  for  volumetry  with  EEG)     12%  in  MR-­‐negaBve  TLE   Cendes F et al. 1997 Ann Neurol; Kuzniecky R et al. 1998 Neurology
  41. 41. MRS CharacterizaBon  of  lesions/  masses   FCD vs  Neoplasm   FCD     ↓  NAA/Cr  raBo   ↑  GABA,  akanine,  tyrosine,  lactate,  inositol   No  elevaBon  in  Cho/NAA     Pathology:  type  IIB  FCD   Caruso PA et al. 2013 Neuroimag Clin N Am
  42. 42. MRS CharacterizaBon  of  lesions/  masses   FCD  vs  Neoplasm   Astrocytoma     ↓  NAA,    ↑    Cho   ↑      Cho/NAA  ,  ↓    NAA/Cr raBos     Pathology:  Angiocentric  astrocytoma   Caruso PA et al. 2013 Neuroimag Clin N Am
  43. 43. MRS LocalizaBon  in  nonlesional  epilepsy   FCD   Using  MVS  &  subdural  electrodes     Areas  of  ↑  Cho/NAA    &  ↓  NAA/Cr   raBos  overlapped  with  ictal   zones     Krsek P et al. 2007 Eur Radiol
  44. 44. Diffusion  Tensor  Imaging
  45. 45. DTI  –  General  Principle Measurement  of:     Magnitude  &  Direc:on     Of   water  diffusion   Indirect  evalua:on  of   integrity  of  axonal   microenvironment   anisotropic
  46. 46. Quan:fica:on Frac:onal  Anisotropy  (FA) Normal  fiber  tracts:   Ranges  from  0  –  1   Anisotropic  (high  FA)   0:  isotropic  diffusion   1:  anisotropic  diffusion Degenerated  fiber  tracts:     MD λ1,  λ2,  λ3       ↓  FA   Wallerian  degenera_on   Demyelina_on/  dysmyelina_on   Maldevelopment
  47. 47. FCD Significant  reducBon  of   FA  in  underlying   subcorBcal  WM     HypomyelinaBon     ?  SeneiBvity     Technical consideration: Tesla; no of gradient… Gross DW et al. 2005 Can J Neurol Sci
  48. 48. MTLE Widespread  WM   changes       ↓  FA  values   PosiBve  correlaBon  with   hippocampal  volume Scanlon C et al. 2013 J Neurol; Oquz KK et al. 2013; AJNR
  49. 49. Arterial  Spin  Labeling Noninvasive   EvaluaBon  of  CBF   Interictal  –  hypoperfused;  Ictal  -­‐  hyperperfused Wolf et al. 2001 AJNR; Madan N et al. 2009 Epilepsia
  50. 50. Correla:on  with  Radionuclide  Imaging 15  children   18F-­‐FDG  PET  and  DTI  MRI     Hypometabolism  correlates  with  DTI  indices   MR+ve  &  MR-­‐ve  pa_ents Lippe S et al. 2012 Epileptic disord
  51. 51. Our  Preliminary  Work…
  52. 52. T1  rho  MR  Imaging Provides  informaBon  on  slow  molecular  moBon   –  –  –  –  Transverse  magneBzaBon  of  T1  is  “locked”  by  spin-­‐lock  frequency   Made  to  decay  slower   Followed  by  convenBonal  imaging   GeneraBon  of  T1rho  map   In  neuroimaging,  has  been  uBlized  in:   –  Brain  tumors   –  AD  and  Parkinson’s  disease  
  53. 53. Hypothesis  &  Aim Hypothesis:       T1  rho  imaging  is  able  to  reflect  early  neuronal  loss  in   the  epileptogenic  zone       Aim:   Determine  the  feasibility  of  noninvasive  T1  rho  MR   imaging  in  idenBficaBon  &  lateralizaBon  of  epileptogenic     zone
  54. 54. Inclusion  criteria MR-­‐posi:ve   i)  PaBents  with  established  MTL  epilepsy  by  EEG,   MTL  epilepsy seizure  semiology  and  MR  proven  MTS   ii)  Unilateral  disease   iii)  No  history  of  epilepsy  surgery   iv)  No  other  epileptogenic  focus Normal   subjects i)  No  known  epilepsy  or  any  structural  lesion   idenBfied  on  MR  brain  imaging   ii)  No  history  of  cerebral  disease   iii)  No  history  of  brain  surgery Included:  15  normal  subjects;  7  pa_ents   2  pa_ents  excluded  (significant  mo_on  ar_facts  &  bilateral  MTS)  
  55. 55. Scanning  parameters 3.0  Tesla  MR  scanner,  uBlizing  a  8-­‐channel  head  coil.   T2  relaxometry:   •  Sequence:  TSE;  TR/TE  (ms):  1868/20;  FOV(mm):  240*240;  Matrix:  268*268;  Slice   thickness:  3  mm;  Gap:  0;  Scan  Bme:  6  min  42  sec.   T1rho:   •  Sequence:  B-­‐TFE;  FOV(mm):  240*240;  Matrix:  160  160;  During  of  spin-­‐lock  pulse   (ms):  1,  10,  20,  30,  40;  Spin-­‐lock  frequency:  500  Hz;  TI  (ms):  860;  Slice  thickness:  3   mm;  Bandwidth:  130  Hz/pixel;  Echo  train  length:  4;  Scan  Bme:  9  min  10  sec.   3D  T1-­‐weighted  MPRAGE:   •  Sequence:  MPRAGE;  TR/TE:  7.0/3.1  msec;  Flip  angle:  8;  FOV  (mm):  250*250;  Matrix:   256*256;  Slice  thickness:  1  mm;  Gap:  0.  
  56. 56. ROIs  defini:on  –  on  T2W   Manual  drawing  of  ROI  to   contour:    Amygdala    Hippocampal  head    Hippocampal  body    Hippocampal  tail     Verified  against  automated  ROIs            -­‐comparable  results            -­‐  no  significant  differences     Manual  ROI  is  accurate    
  57. 57. ROIs  Coregistra:on T2W T2  Relaxometry To  obtain  the  mean  values  &  SD  of:    -­‐T1  rho  value    -­‐T2  relaxaBon  Bme   T1rho Asymmetric  RaBo  
  58. 58. Sta:s:cal  Analysis •  Gaussian  distribuBon  and  homogeneity  tests   •  Paired  t-­‐test  between  leP  and  right  side  for  each  group   •  StandardizaBon  of  T2  relaxometry  and  T1rho  values  according   to  the  corresponding  values  of  the  normal  control  group   through  Z-­‐score  transformaBon:     z  =  (X  -­‐  μ)  /  σ   •  Abnormal  if:    >2  SD  away  from  the  mean  of  the  normal  group:   z  >  2  or  z  <  -­‐2      p<0.05  will  be  considered  as  sta_s_cal  significant.  
  59. 59. Results  –  Normal  Subjects   (mean±SD) Asymmetric   Ra:o SD 95.1.  ±  3.12 96.20  ±  3.14 0.9863 0.0122 Hippo  Head 96.51  ±  3.31 97.12  ±  3.49 0.9841 0.0210 Hippo  Body 90.79  ±  4.72 91.27  ±  3.92 0.9876 0.0085 Hippo  Tail 86.69  ±  6.33 87.83  ±  5.59   0.9849 0.0124 Amygdala 144.89  ±  35.22 144.74  ±  36.39 0.9888 0.0073 Hippo  Head 140.26  ±  35.56 139.69  ±  36.27 0.9896 0.0076 Hippo  Body 133.58  ±  34.55 134.12  ±  33.75 0.9888 0.0085 Hippo  Tail 133.97  ±  34.8   134.49  ±  34.61   0.9880 0.0060 Right   Lek   (mean±SD) Amygdala     T2   relaxometry T1  rho Note:  Asymmetry  =  Min(L,  R)  /  Max(L,  R)                        SD  =  standard  deviaBon The  respec_ve  asymmetric  ra_o  were  then  used  as  reference  for  comparison  in  pa_ents’  group   mean  +/-­‐  2SD      
  60. 60. Parametric  Maps  of  Normal  Subject  
  61. 61. F/22  yrs  old;  Lek  MTS  
  62. 62. M/  45  yrs  old;  Lek  MTS
  63. 63. Accuracy  of  T2  relaxometry  &  T1  rho  results     Comparison  against  Volumetry IYY   T2R   y   NKY   Amyg   T1rho   Volume   y   y y   y Hipp  Head   T2R   T1rho Volume   y y y y y y y y   y y   y   Y y y y   y y y y y y   y   WYY   y   CYY   y   CHY   y   y y   y y y   y y y   y y   y y y   y y y   y y   y   y y y   y y y   Y   FKY   CYSA   y   y   y y   y T2R   Hipp  Tail   T1rho   Volume   y y Hipp  Body   T2R   T1rho   Volume   y   T2  relaxometry:      Sn  =  60.9%  (14/23);  Sp  =  100.0%  (4/4)     T1rho:    Sn  =  100.0%  (24/24);  Sp  =  50.0%  (2/42)  
  64. 64. Distribu:on  of  Asymmetric  Ra:os
  65. 65. F/7  yrs  old;  GTC  seizure;  MR-­‐ve Potential role in detecting WM changes
  66. 66. Limita:ons/  Improving  work Recruit  more  subjects  (paBents  and  normal)      to  further  validate  diagnos_c  value  of  T1rho   Lack  of  histopathological  correlaBon   Perform  DTI  analysis      to  test  the  feasibility  in  detec_ng  WM  changes     Plane  of  imaging  -­‐  coronal   3D  whole  brain  imaging  techniques   Use  of  longer  spin  lock  Bmes        
  67. 67. T1  rho  MR  Imaging   •  Feasible  in  idenBficaBon  of  epileptogenic  zone   •  A  sensi:ve  marker      more  sensi_ve  than  T2  relaxometry      more  sensi_ve  than  volumetry   •  Can  potenBally  detect  early  molecular  changes  
  68. 68. Conclusion •  Wide  variety  of  eBologies   MCD,  MTS   •  Concept  of  MR-­‐negaBve  epilepsy   Does  it  really  exist?   •  Availability  of  various  advanced  MR  imaging   techniques  +  limitaBon   Feasibility  in  clinical  prac_se?   •  Promising  result  of  T1rho  imaging Thank you

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